曲突徙薪的寓意:师昌绪 徐坚：材料科学成为人类进步的强大“引擎”----中国科学院

师昌绪 徐坚：材料科学成为人类进步的强大“引擎”
文章来源：科学时报 发布时间：2010-02-08 【字号： 小  中  大 】

波音787型“梦想”客机
2009年度材料科技的进展
材料科技的进展成为人类进步的强大“引擎”。《今日材料》2007年在评价材料科学时，将国际半导体技术蓝图、扫描式探针显微镜、巨磁电阻效应、半导体激光器和发光二极管、美国国家纳米技术计划、碳纤维复合材料、锂离子电池材料、碳纳米管、软刻蚀、超材料等作为50年十大进展。到2009年，这一评价依然具有战略性的指导意义。
2009年最典型的材料技术进展当属美国波音公司787型“梦想”客机，12月15日在美国华盛顿州首次完成试飞。787项目于2004年4月启动，新型客机载客量最高可达250人，最大航程14000公里。飞机大量采用碳纤维等轻型复合材料，达到了史无前例的50%，新型客机具有排放量低，比同等大小的其他型号客机节省燃油20%，并能让乘客享受到更舒适的旅行环境。波音787型“梦想”客机成为材料技术进步推动产业高速发展的一个范例。
2009年材料科学最引人注目的事件莫过于瑞典皇家科学院因高锟等三人在“用于光学通信的光在纤维中传输的突破性成就”，将今年诺贝尔物理学奖授予了他们。10月6日诺贝尔奖评审委员会如此形容高锟等在光学通讯上取得的开创性成就：“光流动在细小如线的玻璃丝中，它携带着各种信息数据传递向每一个方向，文本、音乐、图片和视频因此能在瞬间传遍全球。”实际上，早在上世纪30年代，已有用于内窥镜传导光线的光纤，但由于光线在传输过程中损耗率过高，传输光信号的光导纤维一直没有取得进展。1966年7月，高锟领导的课题小组在深入研究了玻璃介质传输损耗后，在《英国电机工程师学会学报》上发表了研究论文——《介电波导管的光波传送》，开创性地提出制造光导纤维主要材料的玻璃纯度是减低光能损耗的关键，熔炼石英正是可以制造高纯度玻璃的材料。
1971年首条1公里长的光导纤维问世，第一个光纤通讯系统也在10年后投入应用；在随后短短几十年间，全球光纤总长度已超过10亿公里，并以每小时增加数千公里的速度扩展，这一技术发明标志着通讯革命的晨曦，使人类真正地进入了信息时代，从而改变了全球通讯的面貌。如今，人们可以在互联网中畅游、欣赏高清晰电视转播节目、与千里之外的友人通话，或者躺在病床上接受胃镜检查，这些彻底改变着人类的生活方式，主要归功于英籍华裔科学家高锟发明的“光导纤维”。
2009年的十大科技成就中，美国科学家用直线加速器相干光源在世界上首次制成超快X射线激光，这是一种强有力的研究工具，能对进行中的化学反应拍摄快照，改变材料的电子结构。令人瞩目的是，中国上海同步辐射光源在历经数年的建设后，2009年投入正式运行，作为世界上第三代同步辐射装置，为中国和世界材料科学和技术研究提供了强有力的手段和工具。
石墨烯（Graphene）被《科学》列为2009年十大科技进展之一，这是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种新型碳材料，可成为构建其他维度碳材料（如零维富勒烯、一维碳纳米管、三维石墨等）的基本单元。石墨烯具有优异的力学、热学和电学性能，有望在高性能纳电子器件、复合材料、场发射材料、气体传感器、能量储存等领域获得广泛应用，石墨烯正迅速成为材料科学和凝聚态物理领域研究的热点之一，其中包括制备大尺寸石墨烯薄膜、研制全新器件和石墨烯电子器件等。
随着对其性质研究的不断深入，有可能成为电子行业硅材料升级换代的一类新材料。
美国得克萨斯大学奥斯汀分校在甲烷和氢的混合气中通过化学气相沉积法在铜箔上制备出石墨烯，首次证明在平方厘米区域内几乎全被单层石墨烯覆盖，开发出可以在一系列有机溶剂中制备分散的、化学改性的石墨烯薄片的新方法。美国加州大学洛杉矶分校将氧化石墨纸置于纯肼溶液中，将氧化石墨纸还原成单层石墨烯电导材料，面积达到20μm×40μm，产量是以前化学方法三倍以上。韩国汉阳大学在石墨烯层上规整排列ZnO纳米棒，制备出一种新型的ZnO-石墨烯杂化结构，光透过率达70%～80%。IBM Thomas J. Watson研究中心研发出速度最快的石墨烯晶体管，工作频率为26 GHz。英国曼彻斯特大学通过对石墨烯进行可逆加氢制备出一种全新的石墨烷材料（graphane）。
2008年2月，日本东京工业大学Hideo Hosono教授的研究小组发现铁基超导材料LaO1-xFxFeAs的临界温度可以达到26 K，这一突破性进展开启了科学界新一轮高温超导研究的热潮。随后，科研人员在这一体系中展开了积极的实验和理论研究。中国的科研机构，特别是中国科学院迅速开展了卓有成效的研究工作，在这一轮的高温超导研究中占据了重要位置。有关铁基超导材料在2009年更多是侧重于其性质的基础理论解释。随着超导温度的不断提高，对其背后隐藏的科学原理的深入探究是超导材料领域继续发展的推动力之一。
自1991年碳纳米管（CNT）被日本学者Iijima发现以来，由于碳纳米管具有许多异常的力学、电学和化学性能，始终是材料研究的热点，2009年碳纳米管物理性质研究，如载流能力得到翻倍，同时在医学、能源等领域应用研究不断拓展，制备和产业化研究也取得了新进展。美国麻省理工学院研究表明，可以在无金属催化剂下制备碳纳米管，碳纳米管在细胞中含有DNA破坏物质时，该物质会与包裹CNT的DNA发生反应，通过荧光状态就可判断出何种DNA破坏物质。意大利里雅斯特大学和瑞士洛桑理工学院联合研究表明，CNT是一种理想的智能大脑材料，可用做中枢神经系统外伤性损伤治疗的新型材料，碳纳米电极还可以取代金属用于帕金森氏症等的大脑深度刺激治疗。美国戴顿大学研究发现，氮掺杂的碳纳米管将有可能替代燃料电池中价格昂贵的铂催化剂，从而有可能解决铂资源不足及降低燃料电池成本。美国、以色列联合研究小组开发出碳纳米管产业化加工的新方法。利用氯磺酸作为纳米管的真正溶剂，能够大批量加工纳米管。
2009年由于全球气候变化和能源紧缺，新能源材料在实现能源转化、储存和利用以及发展新能源技术起到了关键作用，其研究风生水起，以硅半导体材料为代表的太阳电池材料、以储氢合金为代表的镍氢电池材料、以电极材料为代表的锂离子电池材料、燃料电池材料、相变储能材料、受控热核反应堆材料以及其他储能电池材料等，尤以发电电池和储能电池材料的研究最为突出。美国能源部布鲁克海文国家实验室、德拉华大学和叶史瓦大学联合研究小组将铂和铑原子通过碳固载在SnO2纳米颗粒上，研制出燃料电池的新催化剂，可将乙醇高效地氧化成CO2等主要产物。加拿大滑铁卢大学开发出锂硫电池，电化学性能表现优异，容量高达理论容量80%，是锂过渡金属氧化物阴极能量密度的3倍，且循环稳定性较好。德国弗朗霍夫电子纳米系统研究所通过丝网印刷技术研制出重量<1 g、厚度<1 mm新型电池。
在超材料研究领域，由于超材料的出现颠覆了一些基本的自然规律，这一新的观念尚未被学术界，特别是材料学界完全接受，但作为一种材料设计理念，已开始为越来越多的学者所关注。美国杜克大学和东南大学开发出大小20英寸×4英寸、高度<1英寸、由一万多片用铜浸蚀玻璃纤维材料而制成的新装置，几乎能够遮蔽全部波谱范围内的波。美国伊利诺伊大学开发了世界上首个声学超材料：“超级透镜”，大幅度提高声学成像的清晰度和精确度，对高分辨率超声波成像、建筑和桥梁的无损结构探伤以及水下隐蔽技术具有重要的应用前景。加利福尼亚大学圣迭戈分校研制出 “记忆超材料”，其电磁性能可根据所施加电压或光进行暂时调整。
半导体材料与光电子材料、光子材料、新型元器件材料等构成了信息技术和产业的基础。美国Polyera公司的研究人员开发了新型的基于萘二甲酰亚胺（naphthalene- dicarboximide）和苝二甲酰亚胺（perylenedicarboximide）的聚合物，可以轻易地接受低能电子，形成排列非常整齐的骨干结构，使得电荷可以高效通过，该低成本、稳定的有机半导体聚合物弥补了目前n型有机半导体材料的空白。美国罗彻斯特大学制备出一种能持续发光的纳米晶体，有望用于研制更加廉价更多用途的激光、更加明亮的LED，同时能够作为高精度跟踪药物与细胞的交互作用的生物标记物。
多孔材料所具有的孔道大小均匀、排列有序、孔径可调等特性，使其在分离提纯、生物材料、催化、新型组装材料等方面有着巨大的应用潜力。美国密歇根大学通过配位聚合技术，制备得到一种新的多孔材料UMCM-2，其比表面积超过5000 m2/g。新加坡生物工程与纳米科技研究院以N，N-二甲基-L-苯基丙氨酸作为表面活性剂模板，通过自组装过程合成出世界上第一种由三个交织但不互联的通道组成的三维连续介孔SiO2材料，孔径为2～50nm。
生物医用材料是用于诊断、治疗、修复或替换病损组织、器官或增进功能的天然或人造高技术新材料，生物医用材料迅猛发展的主要动力来自人口老龄化、中青年创伤的增多、疑难疾病患者的增加和高新技术的发展，尽管全球医学材料应用已达90多个品种、1800余种商品，但生物医用仿生材料和人工器官设计与制造仍存在很多关键技术亟待突破，其材料与生物相容性研究将是一个永恒的主题。英国曼彻斯特大学将可生物降解纳米纤维进行旋涂电纺，通过外科手术移植到受伤的部位，加速肌腱生长和修复，可大大缩短愈合时间。日本早稻田大学、防卫医科大学从螃蟹壳和海带中提取的壳聚糖、海藻酸钠合成出一种手术用的纳米薄膜，制成厚度在30～1500nm的医用“胶布”，可以用于修补身体内部的伤口之后在体内降解，克服了现有医用黏合剂黏接部位容易出现并发症的弊端，并有助于缩短手术时间。
中国的材料科技进展
汤姆森路透集团2009年11月2日公布了一份关于中国科技论文位居世界第二的报告中指出，中国研究人员撰写的科技论文增加了一倍以上，在数量上仅次于美国。报告说：“中国科技论文的相对增长幅度非常惊人，远远超过世界其他地方。”中国科研人员研究工作集中在自然科学和技术领域，特别是材料科学、化学和物理学方面。该报告指出，中国的研究活动大多集中在材料及技术领域，可以看出中国摆好了在多个行业发挥主导作用的架势。报告还指出：“中国牢牢控制创新材料领域，这可能会产生深远的影响。利用这些技术的工业领域大多直接或间接地依赖来自于中国的研究成果。”
我们还应该清醒地认识到，虽然我国论文数量增长很快，但引用率不高；这些论文中也包括在国外留学和工作的中国籍公民；特别应该指出的是我国还很少有世界影响的科学期刊，这些问题不解决，难以成为科学技术强国。
到2009年6月，中国科学家已经在《自然》上发表了81篇论文，《科学》上发表了59篇论文，《新英格兰医学杂志》上发表论文5篇。2009年在《自然》和《科学》上共计发表了5篇涉及材料科学技术的论文。
中科院金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室早年发现铜的纳米孪晶有奇异特性，2009年卢磊研究小组与卢柯、丹麦Ris?覬可再生能源国家实验室黄晓旭又合作研究了具有不同孪晶层厚度的纳米孪晶纯铜的极值强度，发现强度随孪晶层厚度下降而提高，在15nm时达到极值，随后伴随应变硬化和拉伸塑性的增加而逐步软化，研究表明，纳米孪晶纯铜极值强度的出现，是由于随孪晶片层尺寸减小塑性变形机制从以位错孪晶界相互作用主导转变为由孪晶片层结构中预存位错运动主导所致，相关研究结果发表在2009年1月30日《科学》上。
2009年3月12日《自然》上发表了钠在高压条件下可转化为透明绝缘体的研究成果，吉林大学超硬材料国家重点实验室马琰铭研究小组与国外合作者实验发现，在约200GPa压力条件下，Na可以转化成为一种光学透明状态。实验和计算结果显示这种新构象是一种宽带隙绝缘体，具有六配位的高度压缩的双六角密堆晶体结构。
中科院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室申文杰研究小组与合作者，成功制备出了结构规整的四氧化三钴(Co3O4)纳米棒，其中活性(110)晶面占纳米棒表面的40%以上，即使在-77℃温度及水汽存在的条件下仍然可以实现Co的完全氧化，其反应速率是通常Co3O4纳米粒子的10倍以上。该Co3O4纳米棒在接近汽车发动机冷启动条件下(大量水汽和二氧化碳存在，150℃~400℃)表现出非常好的Co氧化性能和结构稳定性。相关研究论文发表在2009年4月9日《自然》上。
中科院物理所北京凝聚态物理国家实验室（筹）周兴江研究组和闻海虎研究组在高温超导体母体欠掺杂区费米面形状以及超导机理研究方面取得重要进展。周兴江研究组与中科院理化技术研究所陈创天等合作，利用自主研制的超高分辨率真空紫外激光角分辨光电子能谱仪，在欠掺杂高温超导体Bi2201中第一次直接观察到费米口袋，在正常态还进一步观察到费米口袋和费米弧的共存，研究结果发表在2009年11月19日《自然》上。
中科院化学所北京分子科学国家实验室(筹)韩布兴和姜涛研究组发现，两种普通的商用催化剂——负载型纳米颗粒钯和路易斯酸(如AlCl3)可促进苯酚加氢生成环己酮的反应。在1GPa大气压和50℃条件下，反应7小时苯酚转化率可达到99.9％，而环己酮选择性可大于99.9%。进一步研究显示，虽然路易斯酸本身不能催化苯酚加氢生成环己酮的反应，但可大幅度提高钯催化此反应速度，同时可有效地抑制产物环己酮被进一步加氢生成副产物反应。相关研究论文发表在2009年11月27日《科学》上。
中山大学通过在多孔金属多氮唑框架（MAF）的孔道开口加入柔性侧基，获得了一个具有开关效应的新型多孔材料(MAF-2)，在298K和1个大气压下具有高乙炔吸附能力（70cm3/g）和高乙炔／二氧化碳吸附比（3.7），对乙炔的饱和吸附能力可达到119cm3/g，这相当于其体积的20倍和目前气体钢瓶储存乙炔能力的40倍，研究论文发表在《美国化学会志》上。中科院大连化物所催化基础国家重点实验室制备三元光催化剂Pt-PdS／CdS，利用牺牲试剂在可见光下取得了93%的产氢量子效率，研究论文发表在《催化》上。
中科院长春应用化学研究所研发出一种具有高吸收系数的有机染料C217，实现了宽光谱吸收。在以乙腈为电解质溶剂的器件中达到了9.8%光电转换效率，结合无溶剂离子液体电解质，实现了光电转换效率达8.1%的长期光热稳定的染料敏化太阳电池。这两项指标均为有机染料敏化太阳电池的最好结果，研究论文发表在《化学通讯》上。
中科院上海硅酸盐研究所对La、Sn掺杂的PZT95／5型铁电陶瓷研究，发现了一种电场诱导产生的亚稳态铁电相(FEIN)，该FEIN相随温度升高而失稳，发生FEIN-AFE相变。该相变伴随有较大的极化变化，可获得较高热释电响应，峰值热释电系数可高达160×10-8Ccm-2K-1，是目前国际商用钛酸锶钡BST热释电陶瓷的4~5倍，研究论文发表《应用物理快报》上。
中科院物理所北京凝聚态物理国家实验室与国家纳米科学中心合作，通过CNT形成连续的三维网状结构，使CNT与聚合物链在分子水平耦合，具有网状纳米管结构的复合纤维，与短CNT随机分布加固复合材料相比，其强度发生了数量级增强，研究论文发表在《纳米快报》上。中国科技大学合肥微尺度物质科学国家实验室（筹）研究了吸附在Cu(100)表面的单个三聚氰胺分子可以通过人工单分子操控被改造为具有显著整流效应和开关效应的双重功能分子，实现了单分子机械开关效应，相关研究发表在美国《国家科学院院刊》上。
中科院物理所北京凝聚态物理国家实验室（筹）制备出系列掺杂的高质量氧化物超导体Bi2Sr2-xLaxCuO6单晶，获得了超导转变熵的变化，欠掺杂铜氧化物超导体转变前后存在熵变，不满足BCS物理图像；在正常态已经有部分电子库柏对存在，而超导转变则对应于相位相干特性的建立，相关研究论文发表在《物理综述快报》上。
以上描述了从不同著名期刊上所看到国内外部分基础研究成果，足以说明材料研究仍在高速发展，正在酝酿着新的突破。下面只是我国在材料领域的一些宏观情况，包括人才、设施与材料产业的现状。从2004年到2009年7月，根据统计，全世界的材料发明专利受理数共计403万件，其中日本、美国分别占总量的26%和25%。中国占17%，排在第三位，共79万件；位于第四位的韩国为7%。特别值得指出的是，从2008年起，中国发明专利受理数已超过日本和美国，数量位居世界第一，达到了28.5万件。
新材料领域初步形成了较完整的材料研发体系，拥有国家重点实验室24个、国家工程研究中心材料33家（80多家）、国家工程技术研究中心材料43家（141家）、国家新材料产业化基地52个、火炬基地103个、发改委国家高技术产业基地7家。材料领域人才队伍日益壮大，拥有高端人才590余人，其中中科院院士105人、工程院院士120人、入选“长江学者”、“百人计划”370余人；企业科技人员约100万，其中传统材料49.4万（工程师28万）、新材料50.7万（大学及以上学历34万，其中研究生3.5万）；每年材料类大学毕业生4万余人、硕士4200余人、博士1100余人。
从我国材料产业总体来看，钢铁、水泥、玻璃、纺织品等基础原材料的生产能力和生产总量稳居世界前列，基本满足国内需求，成为基础原材料世界生产与消费大国，在我国工业体系中占有较大比重。新材料技术和产业虽然起步较晚，但发展很快，新材料产业通过自主创新，在一些领域具有技术优势，如非线性光学晶体、纳米碳管、高温合金和功能陶瓷的研究和开发等方面初步形成了自身特色，通过材料领域科技成果的产业化，为国民经济和国防建设提供了一批关键新材料，如集成电路用配套材料、超级钢、稀土功能材料、镁合金等已实现规模化生产。总体而言，新材料产业总体规模还不大，多数处于发展初期，产业呈集聚发展趋势、区域特色明显，形成了各有优势、各具特色的发展格局。新材料的研究、开发、生产与应用是我国从材料大国走向材料强国的重要标志之一，必须引起我们的高度重视。
材料领域未来展望
当今材料科学技术发展的重要方向包括了：结构功能一体化、功能材料智能化、材料与器件集成化、制备及应用过程绿色化。主要体现在：
（1）信息材料向超高集成电路、超低线宽、器件微型化、多功能化、模块集成化发展。信息载体由电子向光子发展，光通信、光传感、光存储、光转换技术成为发展重点方向。DNA结构微型芯片、压电材料、信息存储材料等值得高度关注。
（2）结构材料向轻质、高强高韧、耐高温、耐腐蚀、耐磨损、低成本、环境友好、复合化、多功能化发展。以高性能、低成本制造技术为发展重点，向材料设计—制造—评价一体化、功能化（智能化以功能材料为基础）的方向发展。
（3）功能材料在新型电池材料和超级电容器材料、稀土永磁材料、生态环境材料、生物医药与仿生材料、超导材料等重点方向取得新突破。仿人机器人、骨整合技术值得关注。
（4）在材料共性关键技术方面，纳米技术已经成为世界高度关注点，实用化进程加快，包括在纳米生物传感材料、生物医用材料、纺织材料等。材料设计、制备、加工与综合性能评价新技术使得材料微观结构设计逐步实用化。材料智能化制备技术将材料设计、零部件设计、材料的合成制备及组织性能的实时在线监测、反馈控制融为一体。
（5）材料的绿色制备技术、高效利用共性技术和工程化关键技术已经成为提高产业技术创新能力，形成大规模、低成本、环境友好材料产业的迫切需求。
中国的经济社会发展经过30年的改革开放站在了新的十字路口，在“产业立国”的新历史阶段，中国的工业化之路也面临新的选择，从一个经济大国到一个经济强国，新能源、新材料、信息产业、新医药、生物育种、节能环保、电动汽车等七大战略性新兴产业，将成为我国在本轮国际金融危机背景下继4万亿元投资和十大产业振兴规划之后的新一轮刺激经济的方案。针对新材料成为战略性新兴产业之一，基于占我国GDP 28%、城镇就业人口近50%的材料领域现状，充分发挥材料领域科研成果和专利技术居世界前列的优势，材料应成为国民经济基础与先导，不仅要应对金融危机和推动经济平稳较快发展，以促进产品升级换代和节能减排；也要催生新技术革命和培育战略性新兴产业，以支撑国家经济发展方式的根本转变。
材料领域将坚持满足当前需求与实施长远战略相结合，坚持新兴产业培育与传统结构调整相结合，坚持技术创新引领与市场需求带动相结合，坚持市场机制运作与宏观政策引导相结合，是未来材料领域发展的出发点和重点。
努力培育半导体照明、新型显示系统、高性能电池、稀土功能材料、高性能纤维及复合材料、军民两用材料等高成长、高带动战略性新兴产业生长点。切实促进具有广阔的市场前景、资源消耗低、带动系数大、就业机会多、综合效益好的新材料产业发展。
奋力抢占微电子/光电子材料与器件、新型功能与智能材料、高性能结构材料、纳米材料和器件、先进超导材料、高效能源材料、生态环境材料等新材料技术制高点；开展材料设计、制备加工与评价，材料高效利用，材料服役行为和工程化关键技术研发。
设计是机械制造业的灵魂，材料是基础，机械的高精度、长寿命、高度自动化是机械制造强国必由之路，为此，必须加强材料与零部件制造技术研究与开发。大力推进钢铁、有色、石化、纺织、轻工、建材等量大面广的基础性原材料产业的结构调整与产业升级，实现关键共性技术的重点突破；提升能源利用效率，降低污染物排放，以应对气候变化，落实节能减排，实现我国材料产业由大变强。
“十二五”材料领域未来发展将实施前瞻部署策略，科学把握新技术的原创点；实施集成创新策略，重点抢占前沿技术制高点；实施引领发展策略，着重培育战略性新兴产业生长点；实施重点跨越策略，始终立足产业化的着力点。切实加强我国材料高技术领域自主创新能力，切实推进材料领域低碳化、高值化发展，切实提升产业的核心竞争力，为我国经济社会发展与国防安全提供强有力的材料支撑。
致谢：本文部分信息资料由“中国科学院武汉文献情报中心先进制造与新材料战略情报研究小组”提供，谨致谢意！